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《中國造紙學(xué)報》2016年第一期
摘要:
針對復(fù)卷機(jī)工作時退卷張力控制難的問題，在分析了退卷張力對紙幅質(zhì)量影響的基礎(chǔ)上，確定了退紙輥的控制要求并對控制方案進(jìn)行合理選擇，完成了復(fù)卷機(jī)退卷張力自動控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計。將公共直流母線結(jié)構(gòu)應(yīng)用于復(fù)卷機(jī)傳動控制系統(tǒng)中，能充分利用再生能量，提高復(fù)卷機(jī)運(yùn)行效率;對退紙輥控制部分進(jìn)行軟件模塊化編程，使其具有普適性。該退卷張力自動控制系統(tǒng)在實(shí)際中的運(yùn)用效果較好，適當(dāng)改動即可適用于多種復(fù)卷場合下退卷張力的控制。
關(guān)鍵詞:
復(fù)卷機(jī);退卷張力;交流傳動;公共直流母線
現(xiàn)今對復(fù)卷機(jī)卷取工藝的要求提高了，體現(xiàn)在復(fù)卷機(jī)車速提高、紙幅幅寬變大及對退卷張力的控制精度提升，且復(fù)卷機(jī)在高速穩(wěn)定運(yùn)行狀況下長期工作也能夠節(jié)約成本。退卷張力會影響紙幅質(zhì)量，需合理選擇退卷張力控制方案。退卷張力控制系統(tǒng)采用交流變頻傳動方式并配置公共直流母線結(jié)構(gòu)，能合理利用退紙輥電機(jī)制動運(yùn)行產(chǎn)生的能量;采用軟件模塊化編程控制退卷輥，可實(shí)現(xiàn)對退卷張力的精確控制，卷取出符合要求的高質(zhì)量成品紙卷［1］。
1退卷張力控制要求
由復(fù)卷機(jī)結(jié)構(gòu)(見圖1)可知，復(fù)卷過程中，紙幅在前后底輥帶動下從退紙輥卷取到紙芯上，成為成品紙卷。退卷張力為前后底輥與退紙輥間的紙幅張力，是由前后底輥與退紙輥之間的速度差引起的。紙幅在受到拉伸后會有一段彈性伸長，產(chǎn)生形變ΔL。同種紙幅的ΔL不變，退卷張力一定。紙幅復(fù)卷方式為中心卷曲的方式，隨著紙幅卷徑的實(shí)時變化，退卷張力也會發(fā)生變化。復(fù)卷過程中，隨著退紙輥上紙幅被卷曲到成品紙卷上，退紙輥上紙幅卷徑越來越小，而退卷線速度(v(t)=ω(t)×R(t)，ω(t)為退紙輥電機(jī)角速度，R(t)為退紙輥上紙幅半徑)保持不變，故需要對紙幅卷徑進(jìn)行補(bǔ)償。這些說明退卷張力控制系統(tǒng)是線速度跟隨系統(tǒng)，應(yīng)保持前后底輥和退紙輥速度差恒定，當(dāng)紙幅卷徑變化時改變退紙輥轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)線速度恒定。根據(jù)卷取順序，對退卷張力控制系統(tǒng)的要求分為以下幾個方面［1-2］:(1)先引紙，此時前后底輥及退紙輥都低速運(yùn)行，且前后底輥的速度略大于退紙輥速度，退紙輥處于正向電動低速運(yùn)行狀態(tài)，保持一定的拖動張力。(2)引紙后，需將紙幅拉直，保持一定的靜張力，此時前后底輥停止，退紙輥處于投張狀態(tài)，此時退紙輥應(yīng)是反向電動低速運(yùn)行狀態(tài)，直至紙幅被拉平。(3)開始卷取，給定前后底輥速度，前后底輥之間進(jìn)行負(fù)荷分配，使復(fù)卷機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)行紙幅卷取。復(fù)卷開始和結(jié)束時分別會有一個加減速過程，為了防止退卷張力突變，必須進(jìn)行S形曲線給定并設(shè)定加減速時間，使退卷張力變化平滑。(4)成品紙卷的形態(tài)需內(nèi)緊外松，當(dāng)成品紙卷直徑達(dá)到一定大小時，應(yīng)適當(dāng)減小退卷張力，以調(diào)整紙卷的硬度。復(fù)卷過程中，退紙輥電機(jī)正常工作時處于制動發(fā)電狀態(tài)，有時也會處于電動引紙狀態(tài)，且退紙輥線速度要跟隨前后底輥，退紙輥上紙幅卷徑的時變性以及外環(huán)境的擾動，使得對退卷張力控制的難度增大。對退卷張力的控制要求即使給定等于實(shí)際，不同工況下對退卷張力的要求也不同。不管基于何種工況，所設(shè)計的電控系統(tǒng)需滿足上述4點(diǎn)控制要求，避免出現(xiàn)紙幅斷裂、折疊等問題，才能卷取出符合要求的高品質(zhì)成品紙卷。
2退卷張力控制方案
退紙輥上紙幅卷徑D的時變性會導(dǎo)致退卷張力F和退紙輥線速度v的時變性，所以退卷過程是動態(tài)過程。分析此動態(tài)過程可先從復(fù)卷機(jī)穩(wěn)定工作時入手，再分析動態(tài)情況，以便對退紙輥進(jìn)行控制。復(fù)卷機(jī)穩(wěn)定工作時，給定后底輥速度，作為整個系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時的基準(zhǔn)速度，而退紙輥電機(jī)工作在制動發(fā)電狀態(tài)，退紙輥與前后底輥之間保持一定的速度差，使紙幅具有一定的張力。預(yù)設(shè)一個退卷張力作為復(fù)卷機(jī)穩(wěn)定工作時的張力給定。以上對退卷張力的控制方式為間接張力控制。間接張力控制作為一個大調(diào)節(jié)，基本可以完成低要求下對退卷張力的控制，但無法達(dá)到很高的精度，因此，還需對退卷張力進(jìn)行直接張力控制。直接張力控制是一種反饋控制，即通過張力傳感器檢測出實(shí)時退卷張力，并將此檢測值與給定值進(jìn)行比較，偏差進(jìn)入PID控制器，輸出退紙輥電機(jī)制動電流的微調(diào)量。直接張力控制與間接張力控制共同作用，可得到實(shí)時狀態(tài)下退紙輥電機(jī)的制動電流。選用的張力傳感器為ABB公司的PFTL101型張力傳感器，因傳感器感應(yīng)電壓較小，需對信號進(jìn)行放大、整流和濾波處理。采用張力控制板(型號為ABB公司PFTA101)對信號進(jìn)行放大，輸出標(biāo)準(zhǔn)的DC5V信號。張力傳感器采集的信號通過張力控制板后輸出，5V的信號對應(yīng)400N/m的紙幅退卷張力。使用可編程羅輯控制器(PLC)的模擬量輸入信號模塊以采集電壓信號并將此模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號，以進(jìn)入PLC中數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算程序塊中。PID控制器根據(jù)采集來的反饋進(jìn)行運(yùn)算，得出退卷張力輸出值。退卷張力間接張力控制與直接張力控制共同作用于退紙輥電機(jī)，以達(dá)到對退卷張力的精確控制［3］。
采用逆變器對退紙輥電機(jī)進(jìn)行控制時，在控制好退紙輥電機(jī)制動電流的情況下，使退紙輥角速度隨著紙幅卷徑的減小而增大。調(diào)速系統(tǒng)的性能取決于對電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的質(zhì)量。直接轉(zhuǎn)矩控制方式采用定子磁場定向方式，對定子電流磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制，控制結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)矩控制效果好。直接轉(zhuǎn)矩控制方式在復(fù)卷機(jī)交流傳動控制中起著不可取代的作用，其系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。直接轉(zhuǎn)矩控制方式是在定子坐標(biāo)系下建立交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，采用磁鏈控制器與轉(zhuǎn)矩控制器分別直接控制電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，它區(qū)別于復(fù)雜的轉(zhuǎn)子磁鏈定向方式。與模仿直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方式的電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈分解方式比較，直接轉(zhuǎn)矩控制方式對轉(zhuǎn)矩的控制相對簡單且響應(yīng)迅速。直接轉(zhuǎn)矩控制具體實(shí)施方式為:通過定子磁鏈觀測器檢測出電機(jī)的瞬時轉(zhuǎn)矩和瞬時磁鏈并作為反饋，采用轉(zhuǎn)矩和磁鏈兩位式調(diào)節(jié)器把轉(zhuǎn)矩檢測值和磁鏈值分別與各自的給定值進(jìn)行比較，脈沖優(yōu)化選擇器根據(jù)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器和磁鏈調(diào)節(jié)器的輸出結(jié)果來對其內(nèi)部脈沖開關(guān)做出最佳調(diào)節(jié)，把轉(zhuǎn)矩和磁鏈波動限制在規(guī)定的允許誤差范圍內(nèi)［4］。逆變器接受PLC的信號給定，然后去控制退紙輥電機(jī)，以使電機(jī)達(dá)到相應(yīng)控制目標(biāo)。開始復(fù)卷前，需設(shè)定復(fù)卷過程不同階段的退卷張力值，該值通過操作屏輸入給定，包括:靜張力、引紙張力、運(yùn)行張力等。利用帶有脈沖編碼器的逆變器檢測退紙輥電機(jī)的實(shí)時電流與轉(zhuǎn)速等，PLC讀取這些數(shù)據(jù)并保存。操作屏通過與PLC組態(tài)將這些數(shù)據(jù)顯示在操作屏上。
3硬件選型
3.1原始數(shù)據(jù)在設(shè)計復(fù)卷機(jī)退卷張力控制系統(tǒng)前，應(yīng)掌握與該設(shè)計相關(guān)的基本數(shù)據(jù)，包括:退卷紙幅的寬度L、原紙卷的最大直徑dmax、退紙輥直徑dmin、成品紙卷最大直徑Dmax、紙幅單位張力Z、車速(紙幅線速度)v、退卷張力F、紙幅卷徑D及加、減速時間等。
3.2退紙輥電機(jī)選型復(fù)卷機(jī)主傳動的選型需考慮電機(jī)的調(diào)速范圍、功率、力矩是否滿足要求并實(shí)現(xiàn)性價比最優(yōu)。復(fù)卷過程中，退紙輥上紙幅卷徑變化范圍大會導(dǎo)致退紙輥電機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍大，即要求退紙輥電機(jī)調(diào)速范圍寬。退紙輥電機(jī)傳動功率范圍受所需紙張的退卷張力、退紙輥的轉(zhuǎn)動慣量及電機(jī)加速和減速的影響。對電機(jī)選型時還應(yīng)考慮電機(jī)轉(zhuǎn)矩范圍，即要求電機(jī)轉(zhuǎn)矩在電機(jī)啟動及加速等不同階段時均達(dá)到要求。
3.3硬件配置完成退紙輥電機(jī)選型后，需對復(fù)卷機(jī)退卷張力控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件配置。選用PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和計算，采用逆變器控制電機(jī)，通過操作屏進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入與實(shí)時數(shù)據(jù)同步顯示，采用現(xiàn)場總線通訊方式等。復(fù)卷機(jī)穩(wěn)定工作時運(yùn)行在高速、動態(tài)條件下，因此，采用Profibus-DP現(xiàn)場總線的通訊方式以保證系統(tǒng)響應(yīng)的快速性。操作屏選用西門子鍵控式操作屏OP270，該操作屏帶有DP接口、以太網(wǎng)接口和USB接口，可方便使用鍵盤和鼠標(biāo)對其進(jìn)行操作;在操作屏上寫入的速度與退卷張力預(yù)設(shè)值通過現(xiàn)場總線方式傳輸進(jìn)PLC，PLC將逆變器檢測的退紙輥電流與速度等傳輸?shù)斤@示屏上，方便現(xiàn)場人員觀測。PLC選用西門子公司的S7-300/400系列，其作為整個退卷張力控制系統(tǒng)的核心，連接操作屏，接受操作屏上的數(shù)據(jù)給定;連接逆變器，給逆變器控制指令，讀取并保存逆變器檢測的電機(jī)狀態(tài)參數(shù)值。PLC最重要功能是完成整個退卷張力控制系統(tǒng)的編程，這包括了數(shù)據(jù)給定與處理、前后底輥間的負(fù)荷分配、S形升降速、斷紙檢測等［6］。
3.4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)卷機(jī)電控系統(tǒng)采用交流變頻傳動方式，配置公共直流母線結(jié)構(gòu)給3個主傳動逆變器供電。供電單元裝置及逆變單元裝置均選用西門子公司產(chǎn)品。供電單元完成直流供電及將退紙輥電機(jī)制動時產(chǎn)生的能量回饋電網(wǎng)。逆變單元裝置主要控制方式為直接轉(zhuǎn)矩控制。復(fù)卷機(jī)穩(wěn)定工作時，控制退紙輥的逆變器處于整流工作狀態(tài)，將退紙輥電機(jī)制動產(chǎn)生的能量回饋到直流母線上，此時若控制前后底輥的逆變器處于逆變工作狀態(tài)，可從直流母線上獲取電能。采用公共直流母線結(jié)構(gòu)的交流傳動方式可將原本需通過能耗制動裝置消耗的電能用于驅(qū)動其他電機(jī)或回饋到電網(wǎng)，有效抑制了過流和過壓故障的發(fā)生，同時節(jié)約能量、提高復(fù)卷機(jī)運(yùn)行效率。退卷張力控制系統(tǒng)的控制方式采用三級控制(見圖3)，執(zhí)行單元為西門子6SE70逆變器;PLC作為控制核心，此外，需選用ET200起到對遠(yuǎn)程I/O的控制(用于圓刀等傳動設(shè)備);上位機(jī)為OP270操作屏，其可作為人機(jī)界面。PLC、逆變器及OP270操作屏等通過PROFIBUS-DP通訊方式構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)［7］。
4軟件設(shè)計
4.1編程思路PLC需通過編程以實(shí)現(xiàn)由數(shù)據(jù)給定到控制實(shí)現(xiàn):操作屏上輸入的數(shù)值經(jīng)過一系列過程成為確定的退紙輥電機(jī)參數(shù)值，如制動電流、轉(zhuǎn)矩等。編程采用軟件模塊化編程的方式，該編程便于修改，普適性強(qiáng)。編程軟件為Step7，編程時需編寫功能程序，確定數(shù)據(jù)存儲位置，預(yù)設(shè)部分參數(shù)值并規(guī)定數(shù)據(jù)調(diào)用方式。退卷張力控制系統(tǒng)運(yùn)行時，執(zhí)行的主循環(huán)中調(diào)用功能塊和數(shù)據(jù)塊，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制;每個功能塊對應(yīng)退卷張力控制過程需求的不同功能，共同實(shí)現(xiàn)對退卷張力的控制［8］。退卷張力控制的流程圖見圖4。其中，數(shù)據(jù)處理是控制流程的核心，包括退卷張力限幅功能、尺度變換功能及控制算法等。數(shù)據(jù)處理的結(jié)果作為逆變器的控制指令信號，使逆變器控制退紙輥電機(jī)，達(dá)到復(fù)卷要求。(1)編程實(shí)現(xiàn)對給定的特定工況下的退卷張力進(jìn)行濾波，運(yùn)行張力需要濾波，而靜張力不需要濾波。(2)編寫張力斜坡程序，使退卷張力曲線平滑。為避免復(fù)卷過程中的急停等突發(fā)情況，要在操作屏上顯示加減速時間，以隨時對加減速時間進(jìn)行設(shè)定與調(diào)節(jié)。編寫退紙輥電機(jī)轉(zhuǎn)矩動態(tài)補(bǔ)償程序，滿足加速或減速情況下退紙輥電機(jī)轉(zhuǎn)矩的要求。(3)編程實(shí)現(xiàn)對退卷張力進(jìn)行限幅，根據(jù)特定工控下的紙幅卷徑，確定退紙輥電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，使退卷張力符合規(guī)定的要求。(4)通過組態(tài)方式使操作屏顯示紙幅卷徑。(5)若復(fù)卷現(xiàn)場安裝有張力傳感器，主程序中需調(diào)用PID功能模塊并對其參數(shù)賦值，以實(shí)現(xiàn)直接張力控制，或直接與間接張力控制相結(jié)合。尺度變換功能模塊的作用是使寫入的數(shù)據(jù)能夠讓調(diào)速裝置接受。速度給定模塊的功能是使操作屏上給定的速度能夠傳給逆變器。速度給定模塊功能應(yīng)包括對電機(jī)速度進(jìn)行限幅與校正，并預(yù)設(shè)不同工況下的速度參考值，如引紙速度為15r/min;調(diào)速裝置內(nèi)部若沒有集成積分器或S形函數(shù)，則電機(jī)轉(zhuǎn)速上升或下降不平滑，需編寫S形曲線速度給定程序。對現(xiàn)場邏輯開關(guān)的處理至關(guān)重要，邏輯控制功能塊可使操作按鈕與機(jī)器對應(yīng)的操作相匹配。現(xiàn)場設(shè)立的單動/聯(lián)動、運(yùn)行、急停等操作按鈕可方便工作人員操作。編程處理好現(xiàn)場邏輯關(guān)系是復(fù)卷機(jī)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。
4.2軟件組態(tài)使用Step7編程時，必須選定通訊方式，確定PLC的具體型號以及連接的調(diào)速裝置等。此外，操作屏需與PLC進(jìn)行組態(tài)，采用WinccFlexible軟件對顯示畫面進(jìn)行編程，進(jìn)入編輯界面后，選擇Step7編程軟件與之組態(tài)。操作屏與PLC建立連接后，可通過WinccFlexible軟件給變量賦值，建立描述畫面等。需要注意的是，操作屏與PLC建立連接后，畫面編程軟件中的變量地址需與PLC中該變量地址一致。
5結(jié)束語
作為交流傳動方式下的復(fù)卷機(jī)退卷張力自動控制系統(tǒng)，其優(yōu)勢體現(xiàn)在編程靈活、運(yùn)行快速可靠，展現(xiàn)出高動態(tài)、高精度的調(diào)速特性。觸摸屏作為人性化的操作界面，具有操作方便、高效實(shí)用的特點(diǎn)，使復(fù)卷機(jī)工作時的運(yùn)行狀況一目了然。該系統(tǒng)運(yùn)用于高速復(fù)卷機(jī)的復(fù)卷過程，能夠有效節(jié)約能量，提高運(yùn)行效率。
作者：高光荻 康家玉 單位：陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院